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Nature energy:磁热处理克服低温碱性电解水瓶颈

Nature energy:磁热处理克服低温碱性电解水瓶颈Nature energy:磁热处理克服低温碱性电解水瓶颈


研究背景

化石能源的大量使用导致环境问题日益严重,而氢气以化学键储能作为新型的清新能源具有很大的发展潜力。水电解是未来制备氢气的清洁方式之一。目前最先进的(高能量和高效率)水系电解槽是酸性质子交换膜(PEM),然而其电极材料为贵金属,成本高,耐久性不足,阻碍了其大规模商业化。相反,碱性水电解槽(AWE)可使用非贵金属来制备催化剂(例如镍),储量丰富且具有良好的经济效益;美中不足的是工作电流低,中等能量效率也不高。近年来研究者通过对催化剂组分及形貌进行精确调控,尽管其在碱性媒介中的活性和稳定性显著提升,但其效率仍低于酸性质子交换膜电解槽。

总所周知,提升电极的工作温度可以提升其性能,但传统的加热系统是以全局加热为理念,从而增加了能量成本并降低了耐用性,电极材料和整个AWE电池腐蚀速率也加快。因此,急需寻求更为有效的解决方法。目前,在癌症治疗中,以磁热处理磁性纳米颗粒使其在外部高频交变磁场作用下产生局部强热,释放热量破坏癌细胞达到治愈癌症的效果。因此,如果在AWE体系中实现催化剂局部加热,就可以有效提升其能量效率。

成果简介

近日,格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Marian Chatenet教授和图卢兹大学Julian Carrey教授开创性地将磁加热技术应用于碱性水电解槽。采用镍包覆的碳化铁纳米颗粒作为催化剂,在高频交变磁场下(AMF)产生局部加热效应;用于AWE流动电解池,该策略取得了理想的结果。在20 mA/cm2电流密度下,析氧(OER)过电位降低了200 mV、析氢(HER)过电位降低了100 mV。这种OER动力学的提升相当于把电池的温度升高至200°C,而实际上该电池温度只升高了5℃。 

本文亮点

(1)磁热效应用于碱性水电解;

(2)20 mA/cm2电流密度下,析氧过电位降低200 mV,析氢过电位降低100 mV;

(3)析氧动力学的提升相当于把电池的温度升高至200°C(实际上仅升温5℃)。

图文导读

Nature energy:磁热处理克服低温碱性电解水瓶颈

图1. MNPs在AMF中电解原理示意图

(a) 在产生AMF的线圈内工作的AWE电池的一般表示,电解池由可再生能源提供电力

(b) 电解AWE流动电池构建示意图。

图1阐述了MNPs在AMF中局部加热提升水电解原理示意图。AMF的磁热处理之作用于碳布上的FeC-Ni催化剂,避免了整个电解池受热升温,减少了能量消耗和有效利用。

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图2不同振幅AMF下的OER测试

(a) 不同振幅AMF下1 mg/cm2 FeC-Ni在35 mA恒流测试OER的电极电势;

(b) 不同振幅AMF下1 mg/cm2 FeC-Ni在35 mA恒流测试OER 的欧姆压降校正电极电势;

(c) 不同振幅AMF下碳布在21 mA电流时的相同测试

图2(a)和(b)分别展示了在AMF条件下, 1 mg/cm2 FeC-Ni在35 mA恒流测试OER 的电极电势及其欧姆压降校正电极电势。从图中可以看出,在35 mA恒电流条件下,AMF的存在有利于OER的电催化性能。图2(c)展示了在没有FeC-Ni催化剂存在的条件下,AMF对OER的电压响应曲线几乎没有影响。以上数据说明AMF对OER催化性能的影响是作用于FeC-Ni催化剂上的。

Nature energy:磁热处理克服低温碱性电解水瓶颈

图3不同振幅AMF下FeC-Ni的HER性能及对应压降

(a)     1 mg/cm2 FeC-Ni在1M KOH溶液中不同振幅AMF下FeC-Ni催化电极HER性能(电流-准静态电势);

(b)     1 mg/cm2 FeC-Ni在1M KOH溶液中不同振幅AMF下FeC-Ni催化电极HER性能(电流-准静态电势);

(c), (d)分别为相应的(a), (b)欧姆压降校正后的电压值。

图3展示了1 mg/cm2 FeC-Ni在1M KOH溶液中,在AMF不同振幅条件下,对应的HER(OER)的性能均得到改善,且随着振幅的增大,其过电势相应增大(降低)。令人吃惊的是,对于OER反应结果来说,过电势改善更加明显(图3b)。

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图4电解池电压与电流密度关系

(a)     电解池电压与电流密度关系,未经过欧姆压降校正;

(b)     电解池电压与电流密度关系, 经过欧姆压降校正。


经过单电极反应测试之后,作者制备了双功能电池用于全水解,在此基础上同时测试HEROER的性能。结果表明,当电流为70 mA时,在AMF48 mT振幅下,全电池的电压降低了100 mV左右。本文以上实验结果表明:AMFOER的促进作用源于对其反应动力学的促进。用样的FeC-Ni催化剂对于HER同样起着促进作用,尽管会略微降低其过电势。另外,在全电池操作条件下,经过磁热处理的FeC-Ni催化剂其OER性能(20-60 )超出了其他商用贵金属催化剂,仅微低于RuO/C。同时在未来,在AMF条件下所导致的优异OERHER性能也有可能是较先进的。另外经过磁热处理和电催化性能测试,FeC-Ni还保持了较高的催化稳定性,依旧高度的分散在碳布载体上。

最后从纯能量的前景来看,本文清楚地表明,将高频磁场应用于专用的FeC-Ni NPs可以降低水电解过电压(特别是OER)。这种效应对工业水电解的实际利益取决于它是否更能有效地产生局部的热量,从而提高其温度,从而加速OER,或者在阳极上施加一个更大的过度电位。目前,这不能通过一个简单的计算来解决,因为尽管不同的组做了各种各样的实验,但要以预测催化剂纳米颗粒的表面温度作为能量消耗的函数是不够充分的。然而,目前的实验结果,清楚地表明磁加热的纳米粒子的局部温度比热扩散方程所预测的要大得多。换句话说,目前可用的能量计算的值低于催化剂纳米颗粒在高频AMF表面温度的值。此外,在电催化剂上应用前景较大的OER过电位不仅会增加该过程的能量成本,而且还会在高电位值且高氧化条件下加速电池组分的降解。

总结与展望

作者在磁热效应治疗癌变细胞的基础上,成功将AMF策略应用到水电解上,得到了意想不到的提高。本方法借助磁热效应催化纳米离子在消耗更小能量的前提下获得更大的收益,这项研究为碱性水电解槽在室温下高效运行提供了新的借鉴!同时该方案对于电化学中其他领域(比如氧还原,有机小分子电料电池等)同样具有较高的用途及发展前景。

原文信息:

Improved water electrolysis using magnetic heating of FeC–Ni core–shell nanoparticles (Nano energy. DOI: 10.1038/s41560-018-0132-1, https://doi.org/10.1038/s41560-018-0132-1)

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | Catman

主编 | 张哲旭


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